賀蘭山、秦嶺山脈新生代伸展隆升及斷層摩擦生熱磷灰石裂變徑跡分析

劉建輝

(中國地震局地質研究所,北京 100029)

賀蘭山、秦嶺山脈新生代伸展隆升及斷層摩擦生熱磷灰石裂變徑跡分析

劉建輝

(中國地震局地質研究所,北京 100029)

本文利用磷灰石裂變徑跡(AFT)熱年代學分析方法對賀蘭山和秦嶺山脈新生代快速伸展隆升的時間、剝露作用的空間分布特征、隆升模式及機制進行了研究,揭示了賀蘭山和秦嶺山脈晚新生代的快速伸展隆升作用,測定了晚新生代與伸展變形有關的剝露作用的空間分布特征,為賀蘭山和秦嶺山脈晚新生代快速隆升的模式提供了很好的約束。并對賀蘭山和秦嶺山脈晚新生代快速伸展隆升的變形機制及其構造意義進行了探討。根據本次磷灰石裂變徑跡分析所揭示的秦嶺山脈晚新生代的快速隆升作用,結合中國西北及北方等干旱氣候環境的形成時間及其分布區域,以及中國南北古生物演化等,對秦嶺山脈晚新生代快速隆升作用的強度及其對中國環境氣候的影響進行了研究和探討。此外,以青藏高原東北緣斷裂帶為研究對象,利用磷灰石裂變徑跡(AFT)熱年代學分析方法對斷層滑動摩擦生熱的探測或測量進行了初步探索研究,對其存在的主要問題及前景進行了總結。本博士論文主要取得以下3方面的研究結果。

1 賀蘭山新生代快速伸展隆升的時間及模式

賀蘭山位于阿拉善地塊、鄂爾多斯地塊的結合部位,中國南北構造帶(地震帶)的北端,是華北克拉通內部經歷了長期構造演化的板內變形帶。新生代以來,該區主要表現為受賀蘭山東面具有右旋走滑性質的正斷層控制的伸展構造變形,導致了銀川盆地的形成和賀蘭山的快速隆起。本文根據賀蘭山新生代以來的構造變形特征,在賀蘭山中南部的蘇峪口及北部的大武口沿垂直賀蘭山東麓斷層走向采集了兩個磷灰石裂變徑跡樣品剖面,同時在賀蘭山的西面及北端正誼關溝采集了少量樣品,總計18個樣品。測試結果顯示賀蘭山中南部蘇峪口剖面的年齡老,東側的4個樣品年齡在88.1～71.7M a之間,西側的4個樣品年齡在116～107M a之間;賀蘭山北部大武口剖面及正誼關溝的樣品年齡在89～10M a之間,靠近賀蘭山東麓斷層年齡變年輕,隨著距離的增大而年齡變老。結合前人在小松山—汝箕溝所獲得的磷灰石裂變徑跡結果,對賀蘭山新生代快速隆升的時間、剝露作用的空間分布特征及構造隆升模式進行了測定,并對其變形機制進行了探討。主要獲得以下主要認識:

(1)采自賀蘭山北部大武口剖面及正誼關溝的樣品HL07-01、HL07-02、HL07-3a、HL07-05及HL07-06,其磷灰石裂變徑跡平均長度大(＞13.87μm),標準偏差小(＜1.1μm),揭示了賀蘭山始于約10～12M a的快速隆升剝露冷卻作用;

(2)賀蘭山磷灰石裂變徑跡數據空間分布特征揭示了始于晚新生代(約10～12M a)的快速隆升剝露冷卻作用向東靠近斷層剝露作用加強,向西遠離斷層剝露作用減弱,北部剝露作用較強,向南逐漸減弱的空間分布特征;

(3)賀蘭山起始于晚新生代(約10～12M a)快速剝露冷卻作用的空間分布特征,指示了賀蘭山與平行于山脈的東麓斷層伸展作用有關的向西向南的掀斜隆升剝露模式;

(4)沿鄂爾多斯地塊周緣北西-南東向的區域伸展拉張作用,導致了鄂爾多斯地塊西北角晚新生代強烈的拉張作用是造成賀蘭山強烈向西向南掀斜隆升的主要原因。賀蘭山—銀川盆地是在先存褶皺—逆沖構造的基礎上,在北西-南東向的區域伸展背景下,在具有右旋走滑性質的賀蘭山東麓斷裂的伸展變形過程中,下盤賀蘭山快速掀斜隆起成山,上盤傾斜斷陷形成銀川盆地,是板內伸展造山作用所形成的盆嶺構造。

2 秦嶺山脈新生代快速伸展隆升的時間、模式、指示意義及其影響

秦嶺山脈位于中國大陸中部,呈東西走向,是一個經歷了板塊碰撞造山和陸內造山作用的典型復合造山帶。新生代以來,在秦嶺山脈北緣及其內部,發生了平行于造山帶的顯著造山后的伸展構造變形,形成斷陷下沉的渭河盆地,并使秦嶺山脈發生急劇的陸內伸展隆升,成為分隔中國南北地質、生物和氣候環境的天然界線。本文在前人研究的基礎上,對秦嶺山脈進行了系統的磷灰石裂變徑跡樣品采集,分別在太白山、華山、中條山、驪山、灃峪口及秦嶺南面進行了大量的樣品采集,總計完成了55個樣品的測試,獲得了大量新的磷灰石裂變徑跡年代學結果。結合前人已報道的磷灰石裂變徑跡結果,對秦嶺山脈新生代快速隆升的時間、隆升剝露作用的空間分布特征、隆升剝露模式、構造意義、隆升的幅度及影響進行了測定和討論。獲得了以下主要認識:

(1)太白山剖面及華山剖面的磷灰石裂變徑跡分析揭示了秦嶺山脈始于10.5～7M a的快速隆升剝露冷卻作用;

(2)磷灰石裂變徑跡數據的空間分布特征,揭示了秦嶺山脈新生代以來的剝露作用具有秦嶺南側的剝露作用緩慢而穩定,北側的剝露作用速率快,靠近邊界斷層增強,遠離邊界斷層減弱的空間分布特點;

(3)秦嶺山脈新生代剝露作用的空間分布特征,指示了秦嶺山脈與平行于山脈的北部主邊界斷層伸展作用有關的、向南掀斜的伸展隆升模式;

(4)秦嶺山脈始于10.5～7M a的快速隆升剝露作用,在時間上與青藏高原約8M a左右的隆升和對外擴展具有很好的統一性,結合其所處的特殊構造位置,指示了秦嶺山脈起始于10.5～7M a的快速伸展隆升作用與青藏高原晚新生代隆升和對外擴展具有重要的聯系。同時,秦嶺山脈始于10.5～7M a的快速伸展隆升作用,為青藏高原隆升和對外擴展的主要時限提供了重要的佐證,具有重要的構造指示意義。

(5)磷灰石裂變徑跡揭示了秦嶺山脈始于10.5～7M a的快速隆升冷卻作用,結合中國西北及北方以風成紅粘土堆積為標志,干旱氣候的形成時間及其分布區域,以及中國哺乳動物南北分異及其形成時間等,綜合表明秦嶺山脈在此時已經開始大幅度隆起,可能已達到或接近現今的高度,成為分割中國南北生物和氣候環境的天然界線;對東亞季風冬季風和夏季風的形成具有促進作用,促進和加強了中國北方干旱氣候的形成和向東的擴展,是東亞“季風三角”形成的關鍵和基礎之一。

3 利用AFT分析對斷層摩擦生熱探測或測量的初步探討

斷層滑動摩擦生熱作用被認為是一種普遍現象,但是如何對天然斷層摩擦生熱,尤其是對單次地震斷層摩擦生熱進行探測或測量是現今仍未解決的科學難題,本文研究的最后部分是以青藏高原東北緣斷裂帶為研究對象,利用磷灰石裂變徑跡熱年代學對地震斷層滑動摩擦生熱的探測或測量進行了初步探討。分別在海原斷裂帶的大溝門、香山—天景山斷裂帶的紅谷梁及小洪溝橫跨斷層采集了3個樣品剖面,總計13個樣品,樣品包括斷層主滑動面上的斷層泥、碎裂巖及斷層圍巖。通過對橫跨斷層方向的斷層巖及圍巖的磷灰石裂變徑跡年齡及水平圍限徑跡長度及其分布形態的對比分析,結果并沒有獲得斷層摩擦生熱的證據,表明這些斷層在地震滑動過程中的摩擦增溫非常有限,沒有達到磷灰石裂變徑跡熱年代計體系可加載熱信息的溫度-時間要求。結合前人已有的相關研究,對利用磷灰石裂變徑跡熱年代學對地震斷層滑動摩擦生熱進行探測或測量存在的主要問題及可行性進行了初步總結和探討,認為只適應于對震級大、斷層滑動距離和速率大、摩擦強度大,位于一定深度有大量摩擦熱生成,并使斷層附近增溫達到或超過磷灰石裂變徑跡部分或完全退火溫度的斷層進行滑動摩擦生熱的探測或測量。利用磷灰石裂變徑跡的退火動力學方程及斷層摩擦生熱物理方程等,磷灰石裂變徑跡熱年代學分析將是一種潛在的能對地震斷層滑動摩擦生熱或增溫進行測量的“熱量計或溫度計”。

秦嶺;賀蘭山;陸內伸展隆升;層摩擦生熱;磷灰石裂變徑跡分析

P56;

A;

10.3969/j.issn.0235-4975.2010.03.008

(作者電子信箱,劉建輝:liu jianhui1999@163.com)